水相中导向的钯催化芳烃碳氢官能化反应研究

Activation and functionalization of low reactive carbon-hydrogen bond to be carbon-carbon or carbon-heteroatom bond has become one of research hotspots in organic chemistry recently. It is a very important and challenging work to functionalize C-H bond which is in the ortho position of guide group in aroamtic compounds. At present, most of Pd-catalyzed ligand-directed aromatic C-H activation reactions are performed in organic solvents. Compared with organic media, water is obviously greener or more environmentally acceptable solvent for this type of transformation. Based on the former studies on catalyzed coupling and mutiple-component reactions in water, applicant plan to select proper palladium catalysts for the direct functionalization of aromatic C-H bond in water to construct carbon-carbon or carbon-heteroatom bond. The mechanism of the developed aqueous catalysis will be investigated. Meanwhile, some natual product or biofunctional molecules will be synthesized by this method.

碳氢键的活化以及官能化反应将反应活性较低的碳氢键直接转化为碳碳或碳杂原子键，是近年来有机化学研究的热点之一。通过导向基团引导的过渡金属催化芳烃碳氢官能化反应，对基团邻位的碳氢键实现高选择性的官能化转化，是一个非常重要又极具挑战性的工作。目前，导向的钯催化芳烃碳氢官能化反应通常在有机溶剂中进行。和有机溶剂相比，水具有廉价、安全、环境友好、操作简单等特点，是最理想的"绿色溶剂"。本项目拟在水相催化偶联以及多组分反应研究基础上，采用合适的钯催化剂，在水相中实现导向的芳烃碳氢官能化反应，构建碳碳及碳杂原子键；在研究催化机理的同时,将其应用于天然产物及生物功能分子的全合成。

碳氢键的活化以及官能化反应可以将反应活性较低的碳氢键转化为碳碳或碳杂键，是近年来有机化学研究的热点之一。本项目采用合适的过渡金属催化剂，进行了一些催化碳氢活化及偶联反应：首先，在无金属催化剂的情况下，进行了邻碘苯胺、季铵盐以及硫粉的三组分水相合成一系列的取代苯并噻唑化合物的反应。最高产率可到95%。该方法具有原料易得、无金属催化剂，降低了后处理的难度、使用水为溶剂、反应可在空气中进行，不需要惰性气体等优点。在反应中，季铵盐一方面可作为相转移试剂促进反应进行，另一方面，可作为具有选择性的烷基化试剂；另外，我们以醋酸钯为催化剂,水为溶剂，进行了乙酰苯胺和卞醇的邻位导向sp2的C-H活化偶联反应，得到一系列的二苯酮化合物，最高收率可达98%。该反应具有反应原料简单易得、条件温和（40°C）等特点，尤其是可在环境友好的水中进行。在反应机理的研究中，分离出了具有活性的二钯双核配合物，证明该反应经历了自由基以及Pd（III）或Pd（IV）的过程；此外，我们在前期水相中采用钯催化活化碘苯与苯酚C-C偶联反应工作基础上，以醋酸钯为催化剂，成功进行了简单碘苯与苯酚的偶联反应，反应收率可达87%。该研究使原来的反应底物得到了很大的拓展；我们还采用“一锅法”，在水中铜催化邻碘苯胺、硫粉和卞胺三组分反应得到苯并噻唑化合物，最高化学收率可达88%；另外，我们通过sp2 C-H活化，以钯盐为催化剂，进行了二芳基硫醚的关环反应，得到了二苯基噻吩化合物。该反应具有较好的底物适用性。并成功用于二苯并噻吩半导体物质的合成。通过多个验证实验，说明催化过程存在不可逆C-H活化步骤以及亲电取代的过程；最后，我们设计并采用2-甲基-7-胺基苯并噁唑为导向基团，成功进行了非活性的羰基beta位sp3的C-H键的活化，最高收率分别可达89%。通过本项目的实施，一共发表基金资助SCI论文5篇（Advances 2014,27775；Chem Eur J 2014,7258；Eur. J. Org. Chem.2015,2463；Org. Biomol. Chem., 2015,3571和Syn Commun 2015,1848），还有一篇已被接收(Adv. Syn & Cat)。